鍋爐飛灰含碳在線測量裝置現狀研究與優化

(山西侯馬熱電分公司，山西 侯馬 043008)

0 引 言

鍋爐飛灰含碳量與鍋爐機械未完全燃燒損失成正比：飛灰含碳量過高，表明鍋爐燃燒不完全，導致發電成本升高，降低粉煤灰利用價值，增大企業環保壓力；飛灰含碳量過低，說明空氣過剩系數過大或煤粉過細遠離最佳煤粉細度，大量熱能排出鍋爐，降低鍋爐效率，加大廠用電消耗，增加氮氧化物的產生量。飛灰含碳量是電廠運行經濟考核、計算鍋爐效率必不可少的技術數據。

飛灰含碳量對鍋爐燃燒效率的影響：在燃煤鍋爐熱效率計算中我們知道，排煙損失是第一大損失，煤粉燃燒不充分造成的熱損失僅次于此。而絕大部分機械不完全燃燒熱損失是來自飛灰中的可燃物(飛灰中的含碳量)造成的；目前飛灰占鍋爐總灰量的90%左右，可見降低飛灰含碳量能夠有效降低機械不完全燃燒熱損失，提高鍋爐效率及發電企業的經濟效益。

飛灰含碳量對供電煤耗的影響:以300 MW機組為例，一般供電煤耗按330 g/kWh計算，飛灰中含碳量每降低1%，平均可降低供電煤耗約1.4 g/kWh。每年發電量按10億kWh計算，可節約1 400 t標煤，標煤單價按550 元/t計算，年可為企業節約資金約70余萬元，效益可觀。

飛灰含碳量對燃煤鍋爐安全影響:飛灰含碳量增高，會引起火焰中心上移，嚴重時還會造成爐膛出口受熱面管壁超溫，鍋爐減溫水自動調節無法正常投入，造成主汽溫度不能穩定控制，長此以往，就會造成鍋爐受熱面過熱、磨損，甚至造成爆管等事件。

飛灰含碳量對環境的影響:鍋爐飛灰可燃物含碳量的大小直接影響鍋爐效率，飛灰含碳量過高，表明鍋爐燃燒不完全，導致發電成本升高，降低粉煤灰利用價值，增大企業環保壓力；飛灰含碳量過低，說明空氣過剩系數過大或煤粉過細遠離最佳煤粉細度，大量熱能排出鍋爐，降低鍋爐效率，加大廠用電消耗，增加大氣中氮氧化物的產生量。綜上所述，鍋爐飛灰含碳量的控制非常重要，對其進行必要的在線監控，對于提高鍋爐效率和安全性，降低發電煤耗、提高飛灰循環利用程度和降低污染物排放都有巨大的應用價值和實用意義。

1 原飛灰含碳量在線測量裝置情況簡介

原鍋爐飛灰含碳在線測量裝置采用灼燒法測量技術，在線測量裝置安裝在就地，原理是通過對灰樣進行灼燒，灼燒前重量減去灼燒后重量，得到重量損失信號，從而得到鍋爐飛灰的含碳量，在機組運行過程中存在問題較多，主要表現在：①取灰問題：取灰困難，灰量時多時少，灰量少時易產生測量誤差。灰量過大，會因灼燒不完全而得不到準確數值；②機械部分的問題：一是稱重的頂桿較長，就地有震動時，導致稱重頂桿震動，給電子天平多余的受力，造成測量數值的不準。二是轉動盤帶動坩堝轉動的過程中，由于震動的原因會導致坩堝震落，使測量中斷；三是坩堝結焦和損壞頻繁，造成無法連續測量。③系統龐大：整個系統過于復雜環節眾多維護量大，任何環節的故障都會造成整體系統無法正常工作。④維護量大：系統因頻發故障無法長期穩定運行，檢修人員維護量過高，日常通過采取更換備件等措施很難保障裝置連續穩定運行，在線測量裝置的信號趨勢及運行效果一直不能滿足日常運行監視、調整需要。

優化前鍋爐飛灰含碳量監測只能靠運行人員每日每班現場取樣，化學人員實驗室灼燒的方法進行，該實驗數據結果較滯后，沒有時效性。

因此通過對原飛灰在線測量裝置故障進行匯總分析，以及對兄弟單位使用情況調研，確定技術革新路線，擬通過優化測量裝置來實現飛灰在線測量的有效監測，以輔助日常調整，提高機組效率，改善經濟性。

2 各種飛灰含碳在線測量裝置原理分析

據了解，目前國內飛灰含碳量在線測量原理可分為三大類：①微波法在線測量含碳量技術，是利用碳對微波能量產生吸收的特性，通過計算微波能量的損耗從而計算出鍋爐飛灰可燃物中的含碳量。但是，除了碳對微波能量會產生吸收外，飛灰中殘留的礦物質(如：二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵和氧化鐵、氧化鎂、氧化鈣、碳)同樣會對微波能量造成影響，所以如果煤種發生變化，微波損失量與含碳量就不存在一定的對應關系。這就說明了微波法測碳技術在實際應用中會出現測量誤差大，甚至出現測量值與實際含碳量的趨勢不一致現象。另外，微波法測碳技術產品，需要進行取樣測量，取樣的代表性對測量值的影響也無法忽視。②灼燒法測碳技術，是通過對飛灰標樣進行稱重、灼燒和再稱重的操作，依據飛灰中的碳被充分燃盡后的失重情況來計算含碳量的。該類技術從理論角度分析非常完美，但是在實際應用過程中卻存在著非常多的問題，主要表現在：飛灰標樣的取樣過程存在代表性問題、稱重設備在抖動的實際工況下精度無法保證、反復稱重造成累積誤差增大、干鍋結焦問題無法避免、灼燒過程飛灰中的碳物質是否充分燃盡無法得知、系統過于復雜環節眾多維護量大，任何環節的故障都會造成整體系統無法正常工作。該技術產品在國內機組盡管有著多年大量應用業績，但是實際運行情況非常不好，都處于缺陷運行或已被棄用狀況；關鍵問題就是無法長期穩定運行(維護量過高，很難做到連續穩定運行)，測量值的累積無法過高(取樣誤差、稱重誤差、結焦引起的誤差、灼燒誤差)。③交流電荷感應式測碳技術，原理是每一種物質都在‘電荷感應序列’中占有一個席位，在動態環境下，任何兩種不同物質將相互感應產生電荷信號，而同種或在‘電荷感應序列’中位置相近的物質，在相同情況下幾乎沒有感應信號(或信號小到無法采集)。感應信號的大小與特征僅僅與被測介質的質量與成份有關，不受其他任何工況因素的影響，當煙道中的煙氣流經傳感器探頭時，在煙氣流動過程中煙塵會產生碰撞、摩擦，會產生電荷，從而產生電荷場。當煙塵流經傳感器時，傳感器表面會產生等量感應電荷，在傳感器附近流動的帶電煙塵顆粒，產生了感生電流，飛灰含碳量的測量是以傳感器的感生電流信號為基礎，當不同含碳量的飛灰可燃物流經傳感器時，感生電流信號功率密度頻譜特征和時域形態就有所不同，系統每秒對1萬個飛灰顆粒進行過計算，通過數字信號處理和功率密度譜變化分析，就可測出飛灰中的相對含碳量，連續測量可以確定含碳量變化情況。在國外該技術也叫：無源質量感應技術，非常適合飛灰氣固兩相流復雜工況下介質參數的精確測量需求。系統通過有效感應區域超過半徑3.5米的高敏感度插入式傳感器探頭，直接在煙道中對飛灰進行含碳量檢測。設備設計非常簡單，無取樣、排灰環節，數據變化趨勢符合機組負荷變化趨勢，穩定測出相對飛灰含碳量。

3 應用情況分析

優化前：機組啟動或停止后飛灰含碳量仍顯示2%左右，在線測量數據沒有參考依據。

優化后：實現了以下技術性能指標的提升：

(1)測量數據與負荷變化趨勢對應，能實時在線反映煙道飛灰中的含碳量，相對于實驗室數據，更直接反映機組的工況，給運行人員鍋爐燃燒在線調整提供指導依據，運行人員可以根據飛灰含碳量的指標及時對燃燒過程做必要調整，確保煤更完全的燃燒，以減少燃煤消耗和污染物排放。

(2)當飛灰含碳量變化，通過在線監測數據，如飛灰可燃物增加代表燃燒工況惡化，運行人員會立即覺察，必須做適當調整，依此控制和調整燃燒工況；如飛灰含碳量顯示維持在較佳值持續不變，則沒有進一步運行調整必要。可以保持機組長期穩定經濟運行。

(3)飛灰中的含碳量低于綜合利用方面所要求的數值，則將能夠銷售更多的優質粉煤灰，這樣不但可以提高經濟效益，也能降低灰處置成本。使火電灰具有更廣闊的市場，更顯著的效益，將產生重大的社會效益和環境效益。

(4)減量提效：原在線測量裝置基本失效，設備不穩定無法連續工作；測量飛灰含碳量完全采用實驗室取樣，具體的流程是：人工采樣——實驗室烘干——縮分稱重——灼燒——再稱重——含碳量計算，測量一次數據至少需要2個小時，采樣周期長，工作量很大，測量數據滯后，無法實時反映機組燃燒工況。在線測量裝置優化后降低人員勞動力。而實驗室數據可以作為后續比對的依據。技術優化后解決了以往存在的技術難點，降低了維護量，從而增加現有維護人員的效益。